信息化背景下煤矿智能化建设的探索与实践

2023-01-18薛春生

当代化工研究 2022年13期

＊薛春生

（煤炭科学技术研究院有限公司山西 030002）

从“十三五”计划开始,中国煤炭行业根据党中央和国家的要求按照推进供给侧结构性改革的决策部署,大力调整了煤矿产业布局,为中国煤矿产品现代化发展提供了必要条件。二零二一年,国家改革委员会又联合我国其它有关部门共同颁布了关于煤炭智能工程的指导意见,为中国煤炭行业的发展提供了方向,并强调到了二零三五年促使中国各类煤炭产品基本达到工业智能。不过中国煤炭行业在其变革和发展的过程中,始终遭遇着一些杂音的问题。在中国当前高度信息化的大背景下,在全球能源布局和中国未来的发展趋势,以及很长一段时间的经济发展前景中,中国煤炭资源都会处于全球发展所需要能源的关键地位,虽然中国当前清洁能源正在持续地被开发,但是中国煤炭资源在未来很长一段时间里,依然是我国发展所需的主要能源，不可被替代[1]。在当前科学技术快速发展的背景下，依靠科技进步减少生产，降低煤炭开采过程为环境带来的负面影响，实现智能化的开采与高效利用，是当今煤炭行业的主要发展方向，智能化矿井减少是煤炭工业高质量发展的核心部分。

1.智能化矿井的相关介绍

(1)智能化矿井的概念

智能煤矿,是指把对煤炭资源等的合理开发与利用,和现阶段正在蓬勃发展的物联网、云计算、大数据分析、工业自动控制和人工智能等前沿技术相结合,并形成高度智能的自我认知体系,以进行信息交互和动态预警且有针对性的工业动态控制吸引。确保了矿山地质监测、煤矿采矿、隧洞开挖、煤矿运输等基础工序,以及满足通风、给排水等基础环节,进行了有效的自动化运作。

(1)智能化矿井的未来发展趋势

自改革开放以来，我国的煤矿产业开展迎来了新的发展，经历了普通的机械化、综合机械化、自动化的发展历程，现阶段正朝向智能化的方向迈进。智能化矿井作为现阶段煤炭企业的发展目标，智能化实现的过程便是煤炭产业发展进步的流程，滥用智能化概念否定矿井智能化开展模式的显然是不可取的[2]。在走向矿井智能化发展的过程中，应该树立协调、绿色以及创新的发展理念，立足于安全、高效的角度，专注于矿井开采的升级，坚持建设智能化矿井，围绕煤炭产业，将其与当今时代发展的大数据、信息化相联系，大力引进先进技术设备，实现矿井的智能化建设。近年来，我国已经涌现出一批智能化矿井，采用的是现阶段先进的技术与设备，主要应用设备均为智能化操作，实现了无人化开采。使得创新后的矿井系统实现了投入人力少、故障少、安全性高且效率高的发展目标。由此展望煤炭矿井行业未来发展方向，不难预见，智能化矿井的建设已经成为未来煤炭行业的发展趋势，也因此使其成为现阶段煤矿设备研究与发展的主流方向。

(3)建设智能化矿井建设开展的条件

①确保硬件设备首先实现智能化。怎么建造整个采矿工程的智能化系统，首先就要对硬件设备达到高的要求，在矿业工作环节，此智能系统的运行稳定性，远程控制性是保障工程顺利进行的必要条件，是实现无人化目标的硬性条件[3]。所以说，煤矿企业更要跟进时代的脚步，根据实际需求引进矿井工程的智能终端设备，积极打造无人化的矿井工作环境。②矿井工作系统性能稳定，网络需达标。在工程作业时要求矿井后端控制系统与前端硬件达成稳定一致，后端指令发出，前端设备响应，这是无人化矿工系统的基本要求。为了实现无人化作业的目标，稳定的网络极为重要，做到网络覆盖到矿井开采的每个角落，从矿井到整个工业链数据传输快速、稳定，为无人化作业保驾护航。③培养无人化工程专业人员，人才要到位。科技的进步带来了煤矿企业的飞速发展，实现了人力开采到智能开采的跨越，对无人化作业人员的培养是煤矿企业目前发展的重中之重。煤矿企业加大人才引进力度，完善人才培养模式，打造出一批专业化，高标准的人才队伍，让人才覆盖管理，操作，巡查，检修一系列工作流程，为无人化矿井系统切实保证人才队伍质量，实现无人化作业目标[4]。

2.智能化矿井建设过程中的突出问题

（1）煤矿智能化认知观念不统一。煤矿智能化建设是一项跨领域且建设较为复杂的系统性工程，当前我国企业对于智能化矿井的研发仍处于起步阶段，同时有些传统煤矿企业对于其企业未来发展设计观念较为保守，并未紧随当前信息技术快速发展的趋势及时对于自身企业的建设方式进行调整与革新，也未从长远发展考虑智能化矿井建设为企业发展带来的经济效益。企业思想层面的循规蹈矩造成了对于智能化建设的重视程度不足。在当前智能化发展成为趋势的背景下，企业片面的强调资金投入大、技术难，导致现阶段矿井智能化的发展呈现落后的局面。在当前科学技术快速发展的背景下，施工单位应该实现施工过程中的精准定位以及井下巷道的探测与掘进，还要互联网技术、大数据、云计算等现代化先进技术与智能化矿井建设工作的融合等。智能化的矿井建设便是高新技术融合于矿井建设过程，不断追求技术的创新于进度，实现矿井建设的机械化、自动化、信息化与数字化的处理模式，综合矿井建设过程[5]。

（2）数据传输能力较弱。当前矿井建设的过程中存在地下与地面间交互能力较弱，直观的信息反馈存在一定的延时性。我国现阶段煤炭企业一般应用宽带与井下建立信息联系，但受传输速率以及信号等因素的限制，导致井下与地面间的交流沟通工作相对滞后，数据传输能力较弱，难以实现实时性的数据传输，导致无法采用视频的形式驱动地下矿井的资源开采。因井下与地面间的交流沟通的实时性较差，导致地下矿井进行煤炭开采的过程中无法实现大规模的互联，只能依靠中间设备进行传输，因其动态性较差，导致井下的信息与情况和地面间反馈不及时，影响了井下的安全信息感知，导致井下出现安全隐患时无法及时反馈，增加了井下作业人员的工作风险。同时，由于宽带等传输速度的限制，导致大数据的反馈与分析结构无法直接应用于设备的控制，也限制了先进设备在煤炭矿井建设中的应用，阻碍了矿井的智能化建设。此外，由于当前我国应用于矿井智能化建设的设备仍处于起步阶段，也就是说，将其正常的应用于矿井智能化建设还需要一段探索的过程。同时由于我国设备的可靠性以及精准度较低，导致我国如今大型采矿设备的机械化作业自动化水平不足，通过大数据收集的相关安全指数信息渠道较为单一，且精准度不强，不利于地下矿井开采项目的进行，阻碍了煤炭企业的转型与发展。

（3）智能化煤矿5G技术应用场景的匮乏。矿井作业是一项复杂且系统性的工程，同时矿井作业受地形地质的限制，地下情况复杂多变，导致煤炭智能化设备无法实现常态化的高效生产，具体主要体现在设备的使用受地形地貌条件的制约局限性较强且精准度不高，对于基础支撑辅助设备还需不断研究与升级，以提升设备的可靠性，以保证基础的设备条件适用于其它大规模的生产作业。5G技术作为现阶段的新型信息技术，具有大宽带、低延时的特征，联合网络切片等核心技术，可以为矿井建设行业带来智能化的应用。在煤矿产业阶段应用5G技术现阶段已经获得较为显著的效果，但是第一阶段的适用工作也暴露出了部分问题，例如不同厂商间的5G网络系统架构不统一，5G技术的具体应用形式还有待挖掘等。

（4）透明地质技术保证支撑能力不足。透明质地概念的出现为矿井建设产业的发展指明了方向，地质勘测技术智能化与数字化的实现方式，实现了地质信息与工程信息的有效融合。但是目前受地质勘验理论的限制，透明地质支撑技术明显存在不足，地质数据并未完全实现数字化，导致地质探测的精度以及范围等难以达到理想化的要求，地质因素与信息工程尚未实现有机融合，导致地质探测过程的智能化程度较低。

3.智能化矿井建设的实践策略

（1）健全完善智能化标准体系。智能化矿井的总体框架包含多方面的内容，其中有智能化管理平台、网络服务平台、大数据中心等十个主要的智能业务体系,涵盖了整个矿井的网络和感知系统,形成了矿山大信息系统,以适应现代化矿业的多种要求,使矿井管理做到“看得见、管得了，控得住”。智能矿井建设是多个领域综合交叉的综合问题,内容包括多层次、学科、系列领域,要实现深度互联互通,其关键就是构建起健全完备的技术标准体系,并保持其先进性、继承性。做好智能化矿井建设的科学设计方案，明确好各设备的作用与功能，按照等级将智能化建设工序分类，但是要避免过渡规范化，保证将智能化有关技术充分应用于矿井。同时，加强矿井建设规划部署，将智能化技术科学的应用于矿井作业。现阶段我国的智能化矿井建设机制仍不够完善，可以借鉴国外先进的智能化矿井建设机制，或是借鉴其它行业的较为成熟的技术，将其转化为适合应用于煤炭领域的技术。但当将其它领域的先进技术应用于煤矿企业中时，应该首先将矿井作业人员的安全、提效目标,健全效益联结体系,提高现代化管理水平,着力推动矿山全过程生产现代化发展。另外,现代化矿山标准管理体系建设应全面考虑矿山所在区域、煤层开采地质条件、建设规模、产品技术水平的不平衡性；充分考虑矿山开发、采掘、运输、安全保护、环境维护的全过程关系；并充分考虑各指标因素对矿山智能系统的程度差异性,以为智能矿山建立提供依据。

（2）5G技术支撑智能化矿井建设。不管是在传感层、传输层、管控层或者是在后端应用开发的层面,建设智能矿山都需要重塑传统矿井服务场景,而将矿井的智能应用和信息系统融合则对支撑网络建设提供了新标准、新需求。过去的传统网络技术已经无法适应矿井现代化的需要,所以必须建立信息系统,利用五G技术来重建互联网架构,创造全新服务模式和使用场景。以上提到的数据传输能力薄弱,管理决策智能辅助不足,以及设备可靠性和传感准确度较低等问题均可以借助5G技术来克服。

①在数据层面,智能化开采感知数据的三特点,数据类型多样化、生成速度快且数量增长快是特点，排出传统的语音以及文字消息传递情况的局限，可以将高清视频应用其中，满足煤矿企业不同矿井情况的个性化需求。②智能化开采传输方面的需求应该伴随着智能化的发展向前推进，5G科技与大数据的应用丰富了传统数据，使得收集的数据呈现多样化的特点且具有动态性的特征。5G技术在其中的应用提升了网络的传输效率，提高了煤炭企业对互联网资源的利用率，实现智能化开采网络对数据的安全传输保障。③智能化开采决策需求需要数据变得全面、广泛、协同控制更为频繁，同时远程操控能力需要有所提升。信息传递的时间延长可能为后续的矿井作业工程埋下安全隐患。因此，为保障矿井作业人员的安全，可以借助现阶段先进的5G技术，解决当前存在延时性长的问题。

（3）多环节推进智能化矿井建设。鼓励多层次智能化矿山建设。一是推进智能采矿现代化。解决了透明地质萃取和表面自动平整的技术问题，以及基于表面的三维地质透明研究，显然仿真技术已经完成了工厂控制精度、自动故障诊断和生产过程中的功能决策。二是探索实现智能隧道。企业可以解决支持问题，实现快速提取，提高单入口水平；然后，根据“智能”采矿经验，研究了“智能”电气控制系统、中央系统和设备的自主导航系统。使用聚焦书签填充桌面，实现智能定位。三是煤炭机器人的研制和使用。公司可在预置的基础上，安置在皮带输送机、泵站、变电站等场所。采用先进的机器人巡逻技术，确保“无人监视”。同时，积极配合科研机构开发环境气体煤矿机器人技术的研究与发展对煤矿的物理建设有很大的帮助，旨在在矿山机器人控制领域取得新的成果。四是三网建设的平台。采矿安全、生产定义和技术建立基于地理数据、计算机网络、大数据和分布式协作的统一地图的煤炭生产、供应和销售三大网络，确保山区管理的透明度、简单性、标准化、效率、可靠性和安全性。

4.智能化矿井建设的发展方向

对于现代的企业而言，有些企业认为实现矿井智能化的过程是一项投入资金大、且持续时间长的过程，实现智能化的路径具有一定的难度。因此，若想真正将智能化建设工作落实，应该立足于实际，开展针对化的分析工作。通过分析智能化矿井建设未来发展趋势，结合当前整体情况，展望智能化矿井建设未来发展方向，具体将未来发展原则总结为以下积淀：

（1）经济合理。在当前智能化矿井建设过程中，逐渐趋于无人化工作，简化了矿井作业环节，为企业节约了人力、物力资源，降低了能源的损耗，继而减少了资金的投入，对于企业的发展经济更为友好。（2）升级网络，做到智能化建设的基础工作。若想真正将智能化矿井的建设工作落实，首先应该确保企业的网络等基本条件达到基本要求，为智能化矿井的建设创设基础条件完备，工作环境稳定的状态，继而便于后续无人化作业的开展。（3）由浅入深，层层递进。在进行智能化矿井建设的过程中，应该由简单层面开始入手，选择工作环境稳定、难度较低的施工任务为试点，改造难度较大的工作内容，采用层层递进的更新方式。（4）由独立到整体。在企业完成智能化矿井的建设过程中，应该将建设内容分部进行，按照由部分完成到整体整合的形式，最终实现智能一体化的作业模式，打造智能化的矿井建设。